土体力学特性尺度效应的三轴抗剪试验分析.pdf

水 利 学 报 2014年6月 SHUILI XUEBAO 第45卷 第6期 文章编号：0559-9350（2014）06-0742-07 土体力学特性尺度效应的三轴抗剪试验分析 房营光1，2 （1. 华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510641； 2. 华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510641） 摘要：土体的物理力学特性受到颗粒尺度及其级配的强烈影响，具有显著的颗粒尺度效应。文中采用天然黏土和 商品石英砂，制备具有不同颗粒粒径和体分比的一系列三轴抗剪试样，通过不固结不排水和固结不排水三轴抗剪 试验，测得了应力应变关系曲线以及剪应力屈服强度，基于试验结果对土体力学特性的颗粒尺度效应进行分析； 同时，引入胞元土体模型，对土体力学特性颗粒尺度效应的物理机制进行解释。实验结果表明，随着土体中砂粒 体分比增加和粒径的减小，土体的变形特性明显增强，其剪应力屈服强度也随之显著提高；砂粒的体分比对变形 和强度颗粒尺度效应的影响比粒径的影响更为显著；胞元土体模型解释了实验结果的颗粒尺度效应的物理机制。 关键词：土体尺度效应；三轴抗剪试验；体分比；胞元土体模型；物理机制 中图分类号：TU43 文献标识码：A doi：10.13243/ki.slxb.2014.06.014 1 研究背景 土体是由固、液、气三相物质组成的天然地质介质，其中固相物质主要为原生矿物、次生矿物 和有机物等，包括小至微米级的黏粒、大至数十厘米以上的卵石、块石。大小不同且形状不规则的 颗粒堆积成多孔骨架，形成大小、形状、分布不一的孔隙以及复杂的颗粒空间排列与相互联结，导 ［1-2］ 致土体具有复杂的结构特征 ，其力学特性是颗粒在荷载下微观力学行为的宏观表现。土体荷载主 ［3］ 要由骨架承担，应力通过骨架颗粒间的接触点传递形成应力网络 。应力作用下容易导致土体结构性 改变，结构性的易变性与颗粒尺度和级配密切相关；颗粒级配影响土体压密性和粒间啮合力，进而影 ［4］ ［5］ 响土体的剪切特性和强度 ，结构性和颗粒级配是影响粉砂应力-应变关系和强度的两个主要因素 。 土体破坏从高剪应力区颗粒联结的薄弱处开始，逐渐扩展成一定尺度区域的宏观破坏剪裂带，强度 破坏过程跨越微细观到宏观的尺度，涉及颗粒间的聚合、胶结和摩擦等相互作用微观细节。试验分 ［6-7］ 析表明 ，土体颗粒尺度和级配强烈影响土体的强度指标（C 、Φ值）和渗透系数；土体颗粒沿最大剪 应力面定向排列后形成的剪切带的特征与颗粒大小和形状密切关联，以及泥石流的运动特性表现出 ［8-9］ 颗粒尺度和级配的影响特征 等，这些均表明土体力学特性受到尺度参数强烈的影响，与颗粒级配 及其多尺度特性有紧密联系，是土体力学特性尺度效应现象的实例。 土体力学行为的尺度效应源于土体颗粒性的本质特征，是颗粒介质的一种基本特性。土体的力 学特性，如变形和强度性质等，与不同尺度上物理机制产生关联和耦合，仅考虑单个尺度上的物理 机制，难以描述土体复杂的力学性质，力学特性的多尺度关联和耦合问题成为土力学当前研究的核 心问题之一。然而，传统土力学建立在连续介质力学基础之上，忽视了土体颗粒性的不连续特征， 本构方程不含尺度参数，无法描述其力学特性的尺度特征，可导致理论与实际的显著误差，有限元 ［10］ 计算也常出现明显的网格依赖性 。目前，对于介质力学性质尺度效应的研究，主要集中在晶体材 收稿日期：2013-11-14；网络出版日期：2014-03-24 网络出版地址：http：///kcms/detail/11.1882.TV1434.004.html